Conforme descrito no Capítulo 2, o afundamento do tipo A é o mais crítico no que se refere ao decrescimento na amplitude da tensão de saída. Nesta seção serão
135
afundamentos deste tipo. Da mesma forma que procedeu-se nos ensaios em condições normais da tensão de alimentação, nesta seção serão apresentados os resultados experimentais da estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados e, posteriormente, energizados e operando de forma a manter o barramento CC de saída em um valor de referência. Pretende-se avaliar a influência da operação do CCI e CCT na mitigação de conteúdo harmônico e regulação da tensão de saída diante de afundamentos de tensão. A Figura 6. 26 ilustra as tensões fase-neutro de entrada durante o afundamento de tensão do tipo A, para h = 0,5 com a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados. Nessa situação somente o RNC processa potência e a tensão do barramento CC de saída é mantida exclusivamente por este grupo.
A Tabela 6.5 apresenta um resumo das características da tensão de alimentação na condição de afundamento do tipo A para h = 0,5.
Tabela 6.5- Características do afundamento do Tipo A para h = 0,5
Tensão de Fase (RMS) Fase (°)
Fase A = 63,5 V 0
Fase B = 63,5 V 240
Fase C = 63,5 V 120
Figura 6. 26 - Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc) e tensão de saída (Vo) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados.
Percebe-se que a tensão do barramento CC de saída (Vo) é completamente susceptível ao afundamento de tensão do tipo A, sofrendo variação na amplitude proporcional à magnitude do afundamento (50% neste caso). O valor médio da tensão de saída na condição normal gira em torno de 280 V e após o afundamento atinge 140 V. Nesta situação, cargas eletrônicas sensíveis conectadas ao barramento CC fatalmente seriam desativadas pelo sistema de proteção de sub-tensão desses equipamentos.
136
energização dos conversores CCI e CCT. Verifica-se que o barramento CC mantém-se regulado no valor de referência após a ocorrência do afundamento de tensão, garantindo a operação de cargas eletrônicas conectadas a esse barramento. Ressalta-se que o grupo CCT é responsável por promover essa regulação de tensão do barramento de saída em um nível de tensão que pode ser ajustado em sua estratégia de controle para atender cargas específicas.
(a)
(b)
Figura 6. 27 - Tensões de alimentação (Va, Vb e Vc) e tensão de saída (Vo) para a estrutura operando com o CCI e CCT ativados de forma a manter a tensão do barramento CC em 250 V com detalhes (a) do
transitório após o afundamento e (b) no regime permanente após a ocorrência do afundamento
A tensão de saída disponibilizada à carga é composta pela soma da tensão fornecida pelo grupo RNC (VC1) e pela tensão imposta pelo CCT (VC2). A Figura 6. 28 apresenta a composição da tensão de saída após o afundamento de tensão, quando o CCI e o CCT estão desenergizados.
137 Figura 6. 28 - Composição da tensão de saída (Vo), sendo a soma da tensão no barramento do RNC (VC1)
e a tensão imposta pelo CCT (VC2) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados. Uma vez que o CCT está desenergizado sua contribuição de tensão (VC2) após o afundamento é nula. Nessas condições a tensão de saída (Vo) é igual à tensão do grupo RNC (VC1).
A Figura 6. 29 apresenta o comportamento da estrutura nas mesmas condições da Figura 6. 28 operando com o CCT e CCI energizados.
(a)
138 RNC (VC1) e a tensão imposta pelo CCT (VC2) com a estrutura operando de forma a manter a tensão do
barramento CC conforme a referência (250 V) durante (a) o transitório após o afundamento e (b) no regime permanente após a ocorrência do afundamento.
Na Figura 6. 29 o CCT está habilitado e opera regulando a tensão de saída conforme a referência (250 V) após a ocorrência do afundamento. A tensão imposta na saída do grupo CCT (VC2) será a diferença entre a referência (250 V) e a tensão mantida pelo grupo RNC.
A Figura 6. 30 apresenta o aspecto das correntes de entrada no instante da ocorrência do afundamento de tensão para a estrutura operando com os conversores CCI e CCT desenergizados.
Figura 6. 30 - Correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) e tensão de saída (Vo) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados.
A Figura 6. 31 apresenta o comportamento da estrutura nas mesmas condições da Figura 6. 26 operando com o CCT e CCI energizados.
139 (b)
Figura 6. 31 - Correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT ativados de com detalhes (a) do transitório após o afundamento e (b) no regime permanente após a ocorrência do
afundamento.
A Figura 6. 32 apresenta a composição das correntes de alimentação na fse A no instante da ocorrência do afundamento de tensão para a situação dos conversores CCI e CCT desenergizados.
Figura 6. 32 - Composição da corrente de entrada (Ia(in)), sendo a soma da corrente no grupo RNC (Ia1), CCI (Ia2) e CCT (Ia3) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados.
A Figura 6. 33 apresenta o comportamento da estrutura nas mesmas condições da Figura 6. 32 operando com o CCT e CCI energizados.
140 (a)
(b)
Figura 6. 33 - Composição da corrente de entrada (Ia(in)), sendo a soma da corrente no grupo RNC (Ia1), CCI (Ia2) e CCT (Ia3) para a estrutura operando com o CCI e CCT ativados (a) no instante do afundamento
e (b) após a ocorrência do afundamento. .
Após o afundamento de tensão o conversor CCI continua operando mitigando o conteúdo harmônico da corrente CA de entrada. Sua estratégia de controle ainda opera de forma a manter a DHT da corrente de entrada (correspondendo à soma das correntes do RNC (Ia1), CCI (Ia2) e CCT (Ia3)) de acordo com a referência (6%). Entretanto, entende- se que a mitigação de conteúdo harmônico da corrente CA de entrada não é mandatória durante o afundamento, considerando que estes são de rápidas duração e no contexto da qualidade de energia a corrente de entrada apresentar distorções harmônicas durante o afundamento é irrelevante. Por esse motivo não é necessário superdimensionar os conversores SEPIC que compõe o CCI para operar tornando a corrente de entrada em conformidade com a norma nesta condição de operação. Limita-se a potência processada pelo CCI ao seu valor nominal durante o afundamento de tensão através da limitação do
141
2).
Para avaliar o efeito da limitação de potência do CCI durante o afundamento na Figura 6. 34 ensaiou-se a estrutura nas mesmas condições da Figura 6. 33. No entanto, limitou-se o valor de pico da referência de corrente em 7 A, que seria o limite para a carga ensaiada durante o afundamento (1,25 kW). Na Figura 6. 33 esse limite era de 12 A, valor para qual o SEPIC foi especificado para operar com a estrutura processando 2,5 kW.
Figura 6. 34 - Composição da corrente de entrada para a estrutura operando com limitação de potência do conversor CCI abaixo do valor nominal.
A Figura 6. 35 ilustra o espectro harmônico das correntes Ia(in) das Figura 6. 33 e Figura 6. 34, respectivamente. Percebe-se que a limitação da potência processada pelo CCI causou um aumento no valor da DHTI. No entanto, ressalta-se por se tratar de uma condição de afundamento temporário esse valor não representa problema no contexto da qualidade de energia.
(a) (b)
Figura 6. 35 - Espectro harmônico da corrente CA de entrada da fase A com a referência de corrente do CCI limitado em (a) 12 A e (b) 7 A de pico.
142
interfere na regulação do barramento CC de saída, que é garantida pela operação do grupo CCT. No entanto, manter o CCI operando mesmo após o afundamento é vantajoso pois sua operação contribui para aumentar o nível de tensão do barramento de saída do RNC (VC1), conforme pode ser verificado em [88], [89].
Destaca-se ainda que mesmo durante a ocorrência do afundamento de tensão o RNC continua processando a maior parcela da potência entregue à carga. Esta característica é uma das vantagens deste arranjo pois permite reduzir a potência processada pelos conversores chaveados, reduzindo os custos de implementação e aumentando a eficiência global do conjunto.
A Figura 6. 36 apresentam a tela frontal dos wattímetros utilizados para mensurar a potência processada por cada grupo na condição de afundamento de tensão na composição de corrente apresentada na Figura 6. 33 e na Figura 6. 34.
(a)
W
oV
o WRNC WCCI WCCT143 (b)
Figura 6. 36 - Tela frontal dos wattímetros indicando a potência de saída (Wo) e a parcela processada por cada grupo de conversor (WRNC, WCCI e WCCT) e a tensão disponibilizada à carga (Vo) durante o
afundamento do tipo A para (a) Vc limitado em 12 A e (b) Vc limitado em 7 A.
Percebe-se que mesmo durante o afundamento de tensão o grupo RNC continua operando processando uma parcela da potência de saída (50%). O grupo CCI processa 10% e o grupo CCT os 40% restantes quando Vc é limitado em 7 A (Figura 6. 36(b)), que seria o valor a ser projetado para o CCI se a estrutura fosse projetada para as condições de ensaio (1,25 kW). Na Figura 6. 36(a) o CCI opera superdimensionado o que justifica seu elevado processamento de potência.
No Capítulo 5 foi verificado que a parcela de potência processada pelo CCT depende exclusivamente da tensão imposta nos seus terminais para manter a tensão de saída conforme a referência. Isto é corroborado ao comparar as duas situações da Figura 6. 36, onde verifica-se mudanças somente na parcela de potência processada pelos grupos RNC e CCI. A porcentagem da potência processada pelo CCT mantém-se constante, girando em torno de 40% uma vez que a tensão imposta nos seus terminais é constante em ambas situações.
Portanto, para este tipo e magnitude de afundamento de tensão os grupos RNC e CCI processarão sempre 60% da potência de saída. A parcela processada por cada um dependerá do limite imposto na estratégia de controle do CCI. Ao operar em condições
W
oV
oWRNC
WCCI
144
restantes serão processados pelo CCT. Dessa forma, ao operar em condições nominais, a estrutura consegue regular a tensão de saída no valor desejado (250 V) diante de um afundamento de 50% com o grupo RNC, mais robusto, eficiente e barato, processando cerca de 50% da potência total de saída.
No trabalho proposto em [76] a suportabilidade a afundamentos de tensão é promovida graças à operação de um conversor Boost cascateado com o grupo RNC. Em condições normais da tensão de alimentação o conversor Boost é desativado pela estratégia de controle e o comportamento da estrutura nesta situação é idêntica à apresentada na Seção 6.5. No entanto, após a ocorrência do afundamento de tensão, o conversor Boost é solicitado a operar e o processamento de potência por parte do RNC é prontamente interrompido. Nessas condições, o conversor Boost deve ser projetado para processar a potência total de saída durante a condição de afundamento de tensão que antes era processada pelo RNC. Na estrutura proposta neste trabalho o conversor que promove a suportabilidade a afundamentos de tensão pode operar de forma concomitante ao grupo RNC. Destaca-se que esta condição de operação é possível graças a Técnica de Compensação Série de Tensão no Barramento CC.
6.5.2 Afundamento do tipo B
A Tabela 6.6 apresenta um resumo das características da tensão de alimentação na condição de afundamento do tipo B para h = 0,5.
Tabela 6.6- Características do afundamento do Tipo B para h = 0,5 Tensão de Fase (RMS) Fase (°)
Fase A = 63,5 V 0
Fase B = 127 V 240
Fase C = 127 V 120
A Figura 6. 37 ilustra as tensões de alimentação e a tensão de saída para o afundamento de tipo B com os grupos CCI e CCT desenergizados.
145 (a)
(b)
Figura 6. 37 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados para o afundamento do
tipo B.
A Figura 6. 38 é apresenta os resultados da estrutura operando com o CCI e CCT energizados.
146 (b)
Figura 6. 38 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT energizados para o afundamento do
tipo B.
Nota-se que a amplitude da tensão do barramento CC de saída não sofre um decrescimento acentuado para este tipo de afundamento. O limiar de 250 V não é atingido e por esse motivo o conversor CCT não é solicitado a operar. As correntes de entrada na Figura 6. 38 apresentam aspecto senoidal em função da operação do grupo CCI.
6.5.3 Afundamento do tipo C
A Tabela 6.7 apresenta um resumo das características da tensão de alimentação na condição de afundamento do tipo C para h = 0,5.
Tabela 6.7- Características do afundamento do Tipo C para h = 0,5
A Figura 6. 39 ilustra as tensões de alimentação e a tensão de saída para o afundamento de tipo B com os grupos CCI e CCT desenergizados. A Figura 6. 40 é apresenta os resultados da estrutura operando com o CCI e CCT energizados.
Tensão de Fase (RMS) Fase (°)
Fase A = 127 V 0
Fase B = 84 V 220,9
147 (a)
(b)
Figura 6. 39 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados para o afundamento do
tipo C.
148 (b)
Figura 6. 40 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT energizados para o afundamento do
tipo C.
Para o afundamento do tipo C a amplitude da tensão do barramento CC de saída também não sofre um decrescimento acentuado, mantido no limiar de 250 V somente pelo grupo RNC. Nestas condições não é necessário intervenção do grupo CCT para manter o barramento CC de saída regulado.
6.5.4 Afundamento do tipo D
A Tabela 6.8 apresenta um resumo das características da tensão de alimentação na condição de afundamento do tipo D para h = 0,5.
Tabela 6.8- Características do afundamento do Tipo D para h = 0,5 Tensão de Fase (RMS) Fase (°)
Fase A = 63,5 V 0
Fase B = 114,5 V 253,9 Fase C = 114,5 V 106,1
A Figura 6. 41 ilustra as tensões de alimentação e a tensão de saída para o afundamento de tipo D com os grupos CCI e CCT desenergizados. A Figura 6. 42 apresenta os resultados da estrutura operando com o CCI e CCT energizados.
149 (a)
(b)
Figura 6. 41 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados para o afundamento do
tipo D.
150 (b)
Figura 6. 42 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT energizados para o afundamento do
tipo D.
Semelhante ao que ocorre nos afundamentos dos tipos B e C, o afundamento do tipo D não provoca reduções significativas na amplitude da tensão do barramento CC de saída. Nessas condições o grupo RNC é capaz de manter seu valor acima do limiar de 250 V.
6.5.5 Afundamento do tipo E
A Tabela 6.9 apresenta um resumo das características da tensão de alimentação na condição de afundamento do tipo E para h = 0,5.
Tabela 6.9- Características do afundamento do Tipo E para h = 0,5 Tensão de Fase (RMS) Fase (°)
Fase A = 127 V 0
Fase B = 63,5 V 240
Fase C = 63,5 V 120
A Figura 6. 43 ilustra as tensões de alimentação e a tensão de saída para o afundamento de tipo E com os grupos CCI e CCT desenergizados.
151 (a)
(b)
Figura 6. 43 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados para o afundamento do
tipo C.
A Figura 6. 44 apresenta os resultados da estrutura operando com o CCI e CCT energizados.
152 (b)
Figura 6. 44 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT energizados para o afundamento do
tipo E.
O afundamento do tipo E provoca uma redução considerável na tensão do barramento CC de saída, mantendo-a abaixo do limiar de 250 V. Nessa situação o CCT opera de forma a manter a tensão de saída acima de 250 V.
A Figura 6. 45 apresenta a composição de tensão para este tipo de afundamento.
Figura 6. 45 - Composição da tensão de saída (Vo) correspondendo à soma da tensão no barramento do RNC (VC1) e a tensão imposta pelo CCT (VC2) para o afundamento do tipo E.
Para manter a tensão de saída acima dos 250 V o CCT contribui com uma pequena parcela de tensão (VC2). Nessa situação, o conversor Full-Bridge opera com baixos valores de razão cíclica e esta condição de operação implica na presença da elevada ondulação de tensão verificada na tensão de saída. No entanto, destaca-se que a amplitude do barramento CC de saída não alcança valores inferiores a 250 V.
153
6.5.6 Afundamento do tipo F
A Tabela 6.10 apresenta um resumo das características da tensão de alimentação na condição de afundamento do tipo F para h = 0,5.
Tabela 6.10- Características do afundamento do Tipo F para h = 0,5 Tensão de Fase (RMS) Fase (°)
Fase A = 63,5 V 0 Fase B = 97 V 250,9 Fase C = 97 V 109,1
A Figura 6. 46 ilustra as tensões de alimentação e a tensão de saída para o afundamento de tipo E com os grupos CCI e CCT desenergizados.
(a)
(b)
Figura 6. 46 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados para o afundamento do
154
energizados.
(a)
(b)
Figura 6. 47 - (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT energizados para o afundamento do
tipo F.
Da mesma forma que acontece com o afundamento do tipo E, no afundamento do tipo F o grupo CCT é solicitado a contribuir com uma pequena parcela de tensão para manter o barramento CC de saída acima do limiar de 250 V. Portanto, a ondulação de tensão verificado na sua forma de onda é resultado da operação com baixos valores de razão cíclica do conversor Full-Bridge.
Conforme indica a Tabela 6.10, no afundamento do tipo F há uma defasagem entre as tensões de fases. Para verificar a eficiência do PLL em gerar referências de corrente em fase com as tensões de alimentação na Figura 6. 48 é apresentado a tensão da fase B com a corrente imposta nessa fase.
155 Figura 6. 48 - Tensão de alimentação (Vb), corrente de entrada (Ib(in)), do RNC (Ib1) e CCT (Ib3) para a fase
B durante o afundamento do tipo F.
Figura 6. 49 - Composição da corrente de entrada (Ib(in)), sendo a soma da corrente no grupo RNC (Ib1), CCI (Ib2) e CCT (Ib3) para a estrutura operando após a ocorrência do afundamento do tipo F.
Verifica-se na Figura 6. 48 que a tensão e a corrente na estão em fase, evidenciando que o PLL é eficiente na geração de uma referência de corrente sincronizada com a tensão fase da alimentação.
6.5.7 Afundamento do tipo G
A Tabela 6.11 apresenta um resumo das características da tensão de alimentação na condição de afundamento do tipo G para h = 0,5.
156 Tensão de Fase (RMS) Fase (°)
Fase A = 105,8 V 0 Fase B = 76,3 V 226,1 Fase C = 76,3 V 133,9
A Figura 6. 50 ilustra as tensões de alimentação e a tensão de saída para o afundamento de tipo G com os grupos CCI e CCT desativados. A Figura 6. 51 é apresenta os resultados da estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados.
(a)
(b)
Figura 6. 50 – (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT desenergizados para o afundamento do
157 (a)
(b)
Figura 6. 51 – (a) Tensão de alimentação fase-neutro (Va, Vb e Vc), tensão de saída (Vo) e (b) correntes de fase (Ia(in), Ib(in) e Ic(in)) para a estrutura operando com o CCI e CCT energizados para o afundamento do
tipo G.
O comportamento da tensão do barramento CC e as correntes drenadas da alimentação durante o afundamento do tipo G é semelhante ao verificado nos afundamentos do tipo E e F.
6.6 Considerações Finais
Este capítulo apresentou os principais resultados experimentais da estrutura proposta operando em condições normais da tensão de alimentação e diante da ocorrência de afundamentos dos tipos A, B, C, D, E, F e G.
A partir dos resultados experimentais observou-se a eficácia da estrutura proposta no que se refere às proposições estabelecidas por esta tese. Em condições normais da tensão de alimentação o RHT foi capaz de impor correntes senoidais na entrada CA garantindo elevado fator de potência. Sob condições de afundamento de tensão (50% de
158
mesmo diante do tipo de afundamento mais severo (tipo A).
Ressalta-se que para os casos apresentados os únicos afundamentos capazes de provocar o desligamento de um AVV são os dos tipos A, E, F e G. Nestes casos a estrutura foi eficiente na regulação do barramento CC acima do valor mínimo desejado (250 V).
Finalmente, mediu-se as contribuições de potência processadas por cada grupo. Na condição de operação mais severa (tipo A) a divisão de potência entre os grupos foi de 50% para o RNC, 40% para o CCT e 10% para o CCI. Destaca-se que a operação do CCI durante o afundamento não é mandatória e sua parcela de potência pode ser limitada ao seu valor nominal. Caso o CCI seja desativado durante o afundamento de tensão o RNC assume sua parcela de potência.
Conclui-se, portanto, que a estrutura apresentada mostra-se bastante atrativa no que se refere à confiabilidade e flexibilidade operacional para aplicações de alta densidade de potência, uma vez que o grupo RNC, mais robusto e eficiente, processa a maior parcela de potência, tanto em condições normais quanto diante da ocorrência de afundamentos de tensão.
159